一种以秸秆燃烧为地热热源的温室设计

刘 晶，王慧杰，刘跃鹏，竹梦婕

（1.山西省农业科学院棉花研究所，山西 运城 044000；2.山西省农业科学院作物科学研究所，山西 太原 030031）

0 引言

温室，又称暖房，能透光、保温（或加温），是用来栽培植物的设施。在不适宜植物生长的寒冷季节，能通过增温的方式来提供作物的生育期和增加产量，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。目前温室大棚在全国已经得到大面积推广，尤其是在反季节瓜果蔬菜等经济作物的栽培种植上取得了较大的成果，获得了可观的经济收益[1-7]。

现有的温室大棚大多利用太阳能，采用玻璃、塑料膜、后墙体等材料来吸收太阳能，使温室大棚内的温度得到提高[8-10]。这种依靠太阳能使塑料大棚增温的方式，在实践中存在以下问题：一是冬天的长夜，特别是高纬度、高海拔地区遇到极端气候情况时，日光温室极易发生冻害，造成损失；二是遇到较长时间的阴天、雾霾天或光照不足时，日光温室温度不足，易造成温室内植物生长不良，发育迟缓现象，温室效益得不到保障[11,12]。

1 地热型温室的设计

1.1 总体设计

针对现有日光温室大棚冬季温度不足[13-15]，增温缓慢的现象，设计一种以秸秆燃烧为地热热源的温室技术，将热量通过地暖管输送至温室大棚，可以快速有效地增加大棚内的温度，使大棚内部升温均匀，同时温室内作物生长温度的可控性也得到提高。

地热型温室主要由秸秆炉和温室大棚两大部分组成。秸秆炉包括水箱、炉灶口、添柴口、暖气片组和炉体；温室大棚由大棚支架、大棚膜、地暖管、循环泵和分集水器组成。地热型温室大棚总体设计如图1所示。

1.2 工作原理

图1 地热型温室总体设计图Fig.1 The overall design of the greenhouse

秸秆炉炉体内部是一个左中右贯通的空腔，暖气片组位于炉体内空腔的中部，水箱在暖气片组的上方炉体的外侧，炉体的上方左右两边各有1个炉灶口，右侧炉灶口的右侧有一添柴口；大棚支架呈圆拱形，大棚膜铺满大棚支架，使其形成密封的空间，地热管位于大棚支架的底部，分为左右2支，开端上设有分集水器，循环泵安装在地暖管的进水口处。

使用时，首先向水箱内注水，使暖气片组和地热管中充满水，当水充满后，将秸秆添入添柴口，点火。秸秆燃烧后，热量先将暖气片组内的水温升高，进而在循环泵和连接管道的作用下通过水的循环作用将地热管中的水温升高，通过地热管散热使整个温室大棚的温度得到提高，当棚内温度提高到适宜作物生长时，停止向添柴口添加秸秆。为了维持恒温状态，可以定时定量添加秸秆。在给温室大棚供热的同时，在2个炉灶口处还可以烧水做饭，使热量得到充分的利用。若种植的作物较少时，可以在大棚的中间竖起分隔板，通过关闭分集水器上的阀门来减少地热管热量循环，从而可以减少秸秆使用量，起到节能环保的作用。

2 技术特点

以秸秆燃烧为地热热源的温室技术，有如下特点：

1）结构简单，使用方便，采用地热方式为大棚供暖，可以快速有效地提升大棚内的温度，且升温均匀。

2）燃烧原料来源广泛，各种作物秸秆、果木枝条等均可作为热源。

3）秸秆炉炉体是由若干块水泥发泡保温板拼接而成，水泥发泡保温板质量轻、方便组装，拼接而成的炉体结构紧密、牢固，加强了保温隔热效果，同时炉内设置了电点火器和提温消烟器，加速了点火，有效除尘，使可燃物能够充分燃烧，环保经济，具有结构简单、制作成本低、使用方便的优点。

3 温室测试试验

3.1 温度测试

1）测试地点为山西省农业科学院棉花研究所地热型温室大棚，大棚体积为68.4 m3（9.0 m×3.8 m×2.0 m）。首先，在温室大棚北中南3个方位分别选取3个测温点，如图2所示，试验中每天燃烧秸秆3次，每8 h添加一次，每次用量25 kg，每隔4 h测温1次，连续进行3 d；同时，在同一时间点对室外的温度进行测量；最后，将3 d的测温数据进行整理，以平均值表示各测温点的温度，温度分布如图3所示。由图3可见，棚内的温度明显高于室外的温度，棚内温度全天维持在10～15℃区间，温度相对比较稳定，炉子的加热效果较好。对于面积较大的温室大棚，可以适当增加添柴量，或是增加地热管的密度来提高增温效果。

2）我国是秸秆产生大国，尤其是玉米秸秆、棉花秸秆、小麦秸秆和稻壳等极为丰富，生产1 t玉米可产生2 t秸秆，一般秸秆热值约为15 MJ/kg，相当于标准煤的50%，即使是发热量最小的小麦秸秆、玉米秸秆，其热值也有14.4 MJ/kg，相当于0.492 kg标准煤。

图2 测温点示意图Fig.2 temperature measurement point

图3 24 h温度测定Fig.3 24h temperature test

基于上述秸秆燃烧热值，分别使用棉花秸秆和树枝对地热型温室进行升温测试。棉柴升温测试如表1所示，时间为12月24日，棉柴质量为25 kg，点火时间为11：00。树枝升温测试如表2所示，时间为12月25日，树枝质量为25 kg，点火时间为11：00。

由表1—2可以看出，从开始点火到炉膛内温度升高，用时约20 min，在相同时间内、燃料用量相同的情况下，使用不同秸秆作为燃料，8 h内炉膛内及棚内的温度变化情况，为秸秆燃料的选择提供依据。

表1 地热型温室棉柴升温测试Tab.1 temperature test of cotton straw ℃

表2 地热型温室树枝升温测试Tab.2 temperature test of branches ℃

3.2 燃烧排放物的监测

在秸秆炉的烟囱底部和中部选取2个位置，如图4所示，进行烟尘浓度、SO2浓度和NOx浓度的监测，每个测量点做3次重复，以平均值表示各排放物的浓度，检测结果如表3所示。

根据GB13271—2001《锅炉大气污染物排放标准》的要求，二类区Ⅱ时段烟尘排放标准根据燃料（煤、油、气）的不同分别是120～200 mg/m3，100～150 mg/m3，50 mg/m3，根据GB13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》的要求，SO2排放浓度限值根据燃料（煤、油、气）的不同分别是400～550 mg/m3，300 mg/m3，100 mg/m3，NOx排放浓度限值为400 mg/m3。

图4 测量点位置Fig.4 Measuring point position

由此得出，地热型温室燃烧秸秆排放的NOx浓度明显低于排放标准，SO2浓度也低于燃煤、燃油锅炉，烟尘浓度排放标准符合国家要求。同时，为了进一步减少烟尘的排放，设计了一种除烟装置。

表3 排放物浓度Tab.3 Emission concentratio mg/m3

4 应用前景

我国农民对作物秸秆的利用有优久的历史，由于原来农业生产水平低、产量低，秸秆数量少，秸秆除少量用于垫圈、喂养牲畜，部分用于堆沤肥外，大部分就地焚烧。随着农业生产的发展，我国自20世纪80年代以来，粮食产量大幅提高，秸秆数量也随之增加，加之省柴节煤技术的推广、烧煤和使用液化气的普及，农村有大量富余秸秆，为秸秆燃料来源提供了充足的保证，也为其大力推广提供了市场。

在能源需求持续增长、能源价格显著上涨的背景下，秸秆作为一种可再生燃料，具有碳活性好、易燃、点火快，比燃煤降低使用成本等优点，同时秸秆燃烧后的灰分可以回收做钾肥，实现了“秸秆→燃料→肥料”的有效循环。以燃烧秸秆为热源、以地热方式为温室大棚供暖，适用于种苗培育、蔬菜种植和科学研究等。